Verteidigung-Masterarbeit

Empirische Studie zum Wirkungsgrad:
Ein Vergleich zwischen sitzendem und stehendem Fahren auf dem Fahrradergometer

Verfasser:
Johannes Joachim Richard Will

Betreuerin:
Dr. Martina Clauß

Gutachterinnen:
Dr. Martina Clauß
Dr. Anna Katharina Dunst

Datum:
11.02.2025

Umsetzung der Arbeit als Webseite

  • Verwendung der Open-Source-Programmiersprache R und Quarto
  • Ermöglicht die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen, Büchern oder Webseiten
  • Unterstützung mehrerer Programmiersprachen (R, Python, Julia…)
  • Mithilfe von GitHub eine öffentlich zugängliche Webseite erstellt

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Integration und Ausführung von Code-Segmenten direkt in der Arbeit
  • Erweiterte Möglichkeiten der Datenvisualisierung
# Beispiel-Abbildung erstellen
ggplot(df_spiro_beispiel, aes(x = t_s)) +
  geom_line(aes(y = `V'O2`), color = "#1CADE4", size = 1) +
  geom_line(aes(y = `V'CO2`), color = "#EF5350", size = 1) +
  scale_x_continuous(limits = c(0, max(df_spiro_beispiel$t_s)),breaks = seq(0, max(df_spiro_beispiel$t_s), 100), 
                     expand = c(0, 0)) +
  scale_y_continuous(limits = c(0, 5),breaks = seq(0, 5, 1.0), labels = function(x) sprintf("%.1f", x)) +
  labs(x = "Zeit [s]", y = "V̇O₂ & V̇CO₂ [l · min⁻¹]") +
  theme_minimal()

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Effiziente Verarbeitung und Einbindung großer Datensätze
# Excel-Datensatz laden und darstellen
Stichprobe_df <- read_excel("Probanden_Daten 2.2.xlsm", sheet = "Stichprobe_final", range = "A1:Y10") %>%
  mutate(across(everything(), ~gsub(",", ".", .))) %>%
  mutate(across(-2, as.numeric)) %>%
  mutate(across(c(8, 10, 13, 15, 17, 19, 21, 23), ~round(., 2)))
datatable(Stichprobe_df, options = list(scrollX = TRUE, scrollY = "240px", dom = 't', order = list(list(0, 'asc')), 
                                        initComplete = JS("function(settings, json) {$(this.api().table().container()).css({'font-size': '70%'});}")), rownames = FALSE)

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Einbindung interaktiver Anwendungen (Shiny-Apps)
  • Transparente Darstellung des Quellcodes und der verwendeten Datensätze


Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Analysen und der Ergebnisse

Link: Website/Anaerobe-alaktazide Energiebereitstellung

Wirkungsgrad beim sitzenden und stehenden Radfahren

  • Wirkungsgrad als zentrale Größe der Energiekonversion beim Radfahren
  • Präzise Berechnung möglich durch:
    • Messbare externe mechanische Leistung
    • Messbaren metabolischen Energieumsatz
  • Forschungsschwerpunkt auf sitzender Position
  • Stehende Position trotz praktischer Relevanz wenig untersucht:
    • 22-34% der Fahrtzeit bei Bergaufzeitfahren im Stehen (Steigung 5-7%)

→ Wirkungsgrad ein leistungsdeterminierender Parameter
→ Fahren im Stehen eine energetisch gleichwertige Alternative?

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Unterschiede: Sitzen vs. Stehen

Biomechanische Unterschiede:

  • Körperschwerpunkt nach vorne verlagert
  • Höhere tangentiale Pedalkräfte
  • Niedrigere selbstgewählte Trittrate bei vergleichbarer Belastung
  • Zusätzliche Freiheitsgrade durch laterale Schwingungsmöglichkeit
  • Körpermasse nicht durch Sattel gestützt

Veränderte Muskelaktivierung:

  • ↓ Untere Beinmuskulatur
  • ↑ Obere Beinmuskulatur
  • ↑ Rumpf- & Oberkörpermuskulatur

  • Bergaufzeitfahren Bouillod & Grappe (2018b) und Harnish et al. (2007)
  • Muskelaktivierung: (Arkesteijn et al., 2016; Berkemeier et al., 2020; Kistemaker et al., 2023; Li & Caldwell, 1998)
  • Komplexe biomechanische Änderungen
  • Differenzierte Muskelaktivierung
  • Leistungsvorteile bei hoher Intensität

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Unterschiede: Sitzen vs. Stehen

Intensitätsabhängige Effekte:

  • Höhere maximale Kurzzeitleistung (30s) im Stehen möglich (+26%)
  • Metabolischen Beanspruchungsparameter (\(\dot{V}O_{2,max}\) & Herzrate):
    • Submaximal (<80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Erhöhte metabolische Beanspruchung im Stehen
    • Hochintensiv (>80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Angleichung zwischen den Positionen

  • Höhere Kurzzeitleistung im Stehen möglich (+26%) (Millet et al., 2002)
  • Submaximal (<80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Erhöhte metabolsche Beanspruchung im Stehen (Ryschon & Stray-Gundersen, 1991; Tanaka et al., 1996)
  • Hochintensiv (>80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Angleichung zwischen den Positionen (Hansen & Waldeland, 2008; Tanaka et al., 1996)
  • Komplexe biomechanische Änderungen
  • Differenzierte Muskelaktivierung
  • Leistungsvorteile bei hoher Intensität

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Wirkungsgrad (η)

  • Verhältnis zwischen verrichteter mechanischer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Arbeit
  • Die nicht als mechanische Arbeit nutzbare Energie wird hauptsächlich in Form von Wärme abgegeben
  • Optimierung des η ermöglicht mehr mechanische Arbeit bei gleichem metabolischen Aufwand

\[ \scriptsize \text{η} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{metabolisch}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

η

→

≈

10-30%

  • Ein bedeutender Teil dieser Wärme entsteht durch Reibungsprozesse

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden über die 3 Energiebereitstellungswege

  • Anaerob-alaktazid
    • Kreatinphosphat-Spaltung
    • Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden
  • Anaerob-laktazid
    • Glykolyse ohne O₂, erzeugt Laktat
    • Schnell verfügbar, mittlere Dauer
  • Aerob
    • Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette)
    • Langsam verfügbar, lange Dauer
    • Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Link: Website/Wirkungsgrad

Bruttowirkungsgrad (ηBrutto)

  • Einfachste Berechnungsmethode auf Basis der aeroben Energiebereitstellung
  • Stark von Ruheenergieumsatz beeinflusst, daher intensitätsabhängig
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Brutto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηBrutto

→

≈

19-22%

Link: Website/Wirkungsgrad

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden über die 3 Energiebereitstellungswege

  • Anaerob-alaktazid
    • Kreatinphosphat-Spaltung
    • Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden
  • Anaerob-laktazid
    • Glykolyse ohne O₂, erzeugt Laktat
    • Schnell verfügbar, mittlere Dauer
  • Aerob
    • Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette)
    • Langsam verfügbar, lange Dauer
    • Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Nettowirkungsgrad (ηNetto)

  • Eliminiert den Einfluss des Ruheenergieumsatzes
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Netto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηNetto

→

≈

19-24%

Link: Website/Wirkungsgrad

Gesamtwirkungsgrad (ηTotal)

  • Berücksichtigt die anaeroben Komponenten des Energieumsatzes
  • \(\scriptsize \text{W}_{Tot} = \text{W}_{Aerob} + \text{W}_{BLC} + \text{W}_{PCr}\)
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Total} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηTotal

→

≈

? %

Link: Website/Wirkungsgrad

Arbeitswirkungsgrad (ηArbeit)

  • Berücksichtigt metabolische Kosten der Leerbewegung
  • Keine Abhängigkeit von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Arbeit} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe} - \text{W}_{Leerbewegung}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηArbeit

→

≈

21-30%

  • Zusammen mit dem muskulären Wirk. die höchsten Werte
  • Wobei hier in der Literatur in der Regel nicht die anaeroben Komponenten berücksichtigt wurden
    • Deshalb höher in der Literatur

Link: Website/Wirkungsgrad

Muskulärer Wirkungsgrad (ηmuskulär)

  • Berücksichtigt die innere Arbeit
  • Keine Abhängigkeit von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{muskulär} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

ηmuskulär

→

≈

27-34%

  • Zusammen mit dem muskulären Wirk. die höchsten Werte
  • Wobei hier in der Literatur in der Regel nicht die anaeroben Komponenten berücksichtigt wurden
    • Deshalb höher in der Literatur

Link: Website/Wirkungsgrad

Berechnung der Energieanteile

Aerobe Energiekomponente

WAerob

Anaerobe-laktazide Energiekomponente

WBLC

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente

WPCr

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden über die 3 Energiebereitstellungswege

  • Anaerob-alaktazid
    • Kreatinphosphat-Spaltung
    • Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden
  • Anaerob-laktazid
    • Glykolyse ohne O₂, erzeugt Laktat
    • Schnell verfügbar, mittlere Dauer
  • Aerob
    • Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette)
    • Langsam verfügbar, lange Dauer
    • Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Link: Website/Energieumsatzberechnung

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

  • Messung des Sauerstoffvolumenstrom in Ruhe \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) mittels Spirometrie und des kalorischen Äquivalents (kÄ) anhand des individuell gemessenen RQ (t)

  • Berechnung von WAerob:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Link: Website/Aerobe Energiekomponente

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

  • Berechnung des \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) nach Harris-Benedict (1918)

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Grundumsatz:} \rightarrow h_{f, m}\,[kcal] &= \begin{cases} h_{f} = 655.1 + (9.563 \cdot M) + (1.850 \cdot L) - (4.676 \cdot A)\\ h_{m} = 66.5 \,+ (13.75 \cdot M) + (5.003 \cdot L) - (6.775 \cdot A) \end{cases} \end{aligned} \]

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Ruheumsatz:} \rightarrow RMR_{f, m}\,[l \cdot min^{-1}] &= \begin{cases} RMR_{f} = \left( \frac{h_{f}}{24 \, \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.278\\ RMR_{m} = \left( \frac{h_{m}}{24 \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.287 \end{cases} \end{aligned} \]

  • Berechnung von WAerob:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Link: Website/Aerobe Energiekomponente

Anaerobe-laktazide Energiekomponente (WBLC)

  • Berechnung von WBLC aus:
    • Blutlaktatwert vor Belastung (BLCPre)
    • Maximaler Laktatwert nach Belastung (BLCmax)
    • Nettoblutlaktatwert: BLCNetto = BLCmax - BLCPre

\[ \scriptsize W_{BLC} \, [\text{kJ}] = \frac{ BLC_{Netto} \, [\text{mmol} \cdot \text{l}^{-1}] \cdot 3.0 \, [\text{ml O}_2 \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{mmol}^{-1} \cdot \text{l}] \cdot \text{Körpermasse} \, [\text{kg}] \cdot kÄ_{\text{KH}} \, [\text{J} \cdot \text{ml}^{-1} \,\text{O}_2] }{1000} \]

  • Sauerstoff-Laktat-Äquivalent: 3.0 [ml O2·kg-1·mmol-1·l]
  • Kalorisches Äquivalent für Kohlenhydrate (kÄKH): 21.131 [kJ·l-1 O2] bei RQ = 1.0

Link: Website/Anaerobe- laktazide Energiekomponente

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Bestimmung durch Excess Post-Exercise Oxygen Consumption (EPOC)
    • Sauerstoffmenge nach Belastungsende über dem Ruhebedarf
    • EPOCfast: ATP/PCr- und O2-Speicher Wiederauffüllung (alaktazide anaerobe Energiebereitstellung)
    • EPOCslow: Metabolische Nachbelastungseffekte (Sympathikusaktivität, HKS, Laktat)

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Bestimmung von \(\tau\) zur Abgrenzung der Komponenten

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A \cdot e^{-(t / \tau)} + C \]

  • Dreistufige Modellierung war robuster und ermöglichte breitere Grenzen der Modellparameter

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente

  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente

  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente

  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente

  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Modellierung der EPOCslow

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC, slow}\,(t) = A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente
  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente
  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente
  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente
  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Modellierung der EPOCfast

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente
  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente
  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente
  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente
  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Mechanische Gesamtarbeit

  • Die mechanische Gesamtarbeit beim Radfahren setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:

\[ \scriptsize \text{Mechanische Gesamtarbeit}\,\text{(W}_{mech,Tot}\text{)} = \text{Mechanischen Arbeit}\,\text{(W}_{mech}\text{)} + \text{Innere Arbeit}\,\text{(W}_{Int}\text{)} \]

Link: Website/Mechanische Arbeit

Mechanische Arbeit (Wmech)

  • Quantifizierung der mechanischen Arbeit (Wmech)
    1. Tangentialdrehmomente (\(M_T(\theta)\)) beider Pedale erfasst
    2. Winkelgeschwindigkeit (\(\omega(\theta)\)) der Tretkurbel erfasst
    3. \(\bar{P}_{mech}(\theta) = \bar{M}_T(\theta) \cdot \bar{\omega}(\theta)\)
    4. \(\bar{P}_{mech} = \bar{P}_{mech,links} + \bar{P}_{mech,rechts}\)
    5. \(W_{mech} = \frac{\bar{P}_{mech} \cdot t}{1000}\)

  • \(\theta\) = Kurbelwinkel (0° bis 360°)
  • Überstrich (\(\bar{M}\)) = Mittelwert über alle Umdrehungen

Link: Website/Mechanische Arbeit

Tangentialleistung

Link: Website/Mechanische Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

  • Beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
  • Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
  • Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit

  • Die innere Arbeit (WInt) beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
  • Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
  • Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

  • WInt berechnet sich aus den Änderungen der kinetischen Energien der Segmente
    1. Kinetische Energien der einzelnen Segmentschwerpunkte:
      • Translatorisch: \(E_{kin,trans} = \sum_{i} \frac{1}{2} m_i \cdot v_i^2\)
      • Rotatorisch: \(E_{kin,rot} = \sum_{i} \frac{1}{2} I_i \cdot \omega_i^2\)
    2. Momentane innere Leistung
      • \(P_{Int}(t) = \frac{\Delta E_{kin}}{\Delta t}\)
      • Nur positive Leistungsanteile: \(P_{Int,pos}(t) = max(0, P_{Int}(t))\)
    3. Mittlere innere Leistung
      • \(\bar{P}_{Int} = \bar{P}_{Int,links,pos} + \bar{P}_{Int,rechts,pos}\)
    4. Innere Arbeit
      • \(W_{Int} = \frac{\bar{P}_{Int} \cdot t}{1000}\)

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit nach Winter (1979)

  • Unterschiede:
    1. Integration der potentiellen Energie aller Segmentschwerpunkte
      • \(E_{pot} = m \cdot g \cdot h\)
    2. Einbeziehung des HAT-Segments (Kopf-Arme-Rumpf)
    3. Vollständiger Energietransfer zwischen allen Segmenten
      • \(E_{gesamt}(t) = \sum_{i=1}^{N} [E_{pot}(i,t) + E_{kin,trans}(i,t) + E_{kin,rot}(i,t)]\)
      • Energieaustausch zwischen Segmenten möglich

  • Vorteile:
    1. Physiologisch plausiblere Ergebnisse
    2. Erfasst die größeren Auf- und Abbewegungen des Körperschwerpunkts
    3. Bessere Übereinstimmung mit gemessenen metabolischen Parametern
    4. Vergleichbare Werte zwischen Steh- und Sitzposition

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EPot

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,trans

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,rot

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,gesamt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EGesamt

ΔEGesamt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

PInt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

Aktuelle Forschungslücken

  • Forschungsstand:
    • Meiste Studien nur in sitzender Position
    • 22-34% der Bergauf-Zeit im Stehen
    • Hohe praktische Relevanz, aber wenig systematische Forschung
  • Bisherige Wirkungsgradanalysen:
    • Fokus auf ηBrutto und ηNetto
    • Keine Berücksichtigung innerer Arbeit
    • ηmuskulär bisher nicht im Stehen untersucht
  • Forschungslücke:
    • Systematischer Vergleich ηmuskulär Sitzen vs. Stehen
    • Einfluss von Trittfrequenz und Intensität
    • Integration innerer Arbeit beim Stehen
  • Wirkungsgrad im Stehen wenig erforscht
  • Bisherige Parameter unvollständig
  • Hohe praktische Bedeutung
  • Methodische Limitationen:
    • Unvollständige Energieumsatzbestimmung
      • Meist nur Sauerstoffaufnahme gemessen
      • Anaerobe Komponenten vernachlässigt
  • Position-spezifische Defizite:
    • Innere Arbeit im Stehen unerforscht
    • Komplexere Bewegungsmuster nicht berücksichtigt
    • Fehlende ηmuskulär Vergleiche Sitzen/Stehen
  • Vergleichbarkeit erschwert durch:
    • Verschiedene Intensitäten/Protokolle
    • Unterschiedliche Trittfrequenzen
    • Uneinheitliche Berechnungsmethoden

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Forschungsbedarf

  • Systematische Untersuchung von ηmuskulär:
    • Vergleich Sitzen vs. Stehen
    • Bei verschiedenen Intensitäten
    • Mit unterschiedlichen Trittfrequenzen
  • Methodische Verbesserungen:
    • Vollständige Energieumsatzerfassung
    • Standardisierte Messverfahren
    • Berücksichtigung der inneren Arbeit
  • Ziel: Besseres Verständnis der Effizienzunterschiede zwischen den Körperpositionen beim Radfahren

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Forschungsfrage

Kernfrage: - Wie unterscheidet sich der muskuläre Wirkungsgrad (ηmuskulär) zwischen: - Sitzender vs. stehender Position - Bei verschiedenen Intensitäten (leicht/moderat/schwer)

Begründung: - Bisherige Studien nur ηbrutto und ηnetto - Keine systematische Untersuchung von ηmuskulär - Fehlende Berücksichtigung der inneren Arbeit im Stehen - Unvollständige Energieumsatzerfassung

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Hypothese

Haupthypothese: - Intensitätsabhängige Unterschiede zwischen den Positionen - Leichte Intensität: Signifikante Unterschiede - Moderate/Schwere Intensität: Keine signifikanten Unterschiede

Explorative Analysen: - Vergleich verschiedener Wirkungsgrade - ηTotal, ηNetto, ηBrutto, ηArbeit - Analyse der Energiekomponenten - Mechanische vs. physiologische Energie - Positionsvergleich unabhängig von Intensität

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

  • Insgesamt 24 Testpersonen
  • 11 erfüllten die Einschlusskriterien → \(\dot{V}O_{2,max}\) > 65 [ml·min-1]
  • 9 Testpersonen: (2 Frauen | 7 Männer)
  • \(\dot{V}O_{2,max}\) = 3900 - 6181 [ml·min-1] | \(\dot{V}O_{2,max,relativ}\) = 67.8 - 81.3 [ml·min-1·kg-1]

Link: Website/Stichprobe

Methodik: Messmethoden

  • Anthropometrische Messungen: Körpermasse, Körperlänge, Umfang & Durchmesser der Gleidmaßen
  • Fahrradergometer: Lode - Excalibur Sport
  • Atemgasanalyse: Cortex - MetaMax 3B
  • Blutlaktatanalysegerät: EKF diagnostic- Biosen S-Line Lab+
  • Herzratenmessung: Polar - H10
  • 3D-Kinematik Daten: Reflektierende Marker + Vicon Vero Kameras

Link: Website/Messmethoden

Methodik: Testtag 1

1. Stufentestsitzen

Startlast: 60/80 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

2. Stufenteststehen

Startlast: 150/200 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

3. Drehzahltest

Start-Drehzahl: 70 [U·min-1]
Stufen: 5 [U·min-1]
Stufendauer: 30 [s]


Link: Website/Studiendesign

Methodik: Testtag 2

1. Leicht

Last: \(\small P_{mech,VT_1}-0.075 \cdot P_{mech,max}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

2. Moderat

Last: \(\small P_{mech,VT_1}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

3. Schwer

Last: \(\frac{P_{mech,VT_1} + P_{mech,VT_2}}{2}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]


Link: Website/Studiendesign

Methodik: Statistische Analyse

  • Voraussetzungsprüfungen:
    • Shapiro-Wilk (Normalverteilung), Levene (Varianzhomogenität), Mauchly (Sphärizität)
  • Hauptanalyse:
    • 2x3 ANOVA mit Messwiederholung
      • Faktor A: Körperposition (sitzen, stehen)
      • Faktor B: Intensität (leicht, moderat, schwer)
  • Post-hoc Tests:
    • Gepaarte t-Tests mit Bonferroni-Korrektur
    • Bei Voraussetzungsverletzung: Wilcoxon-Tests
  • Signifikanz:
    • ANOVA: ηp² (klein ≥ 0.01, mittel ≥ 0.06, groß ≥ 0.14)
    • Paarvergleiche: d (trivial < 0.2, klein ≥ 0.2, mittel ≥ 0.5, groß ≥ 0.8)
    • Signifikanzniveau: α = .05 (*** p < .001, ** p < .01, * p < .05)

Ergebnisse: Bedingungen

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Ergebnisse: Bedingungen x Intensitäten

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Ergebnisse: Muskulärer Wirkungsgrad

Hypothesenprüfung:

  • Signifikanter Effekt der Bedingung
    (p = .024*)
  • Signifikanter Effekt der Intensität
    (p = .018*)
  • Signifikanter Interaktionseffekt
    (p = .003**)
  • H0 für “leicht” wird abgelehnt
  • H1 wird angenommen

Intensitätsspezifische Unterschiede:

  • Leicht: (p = .011*, d = 1.36)
  • Moderat: (p = .153, d = .76)
  • Schwer: (p = .807, d = .40)
  • Größter Unterschied bei leichter Belastung
  • Effekt nimmt mit steigender Intensität ab
  • Signifikante Haupteffekte für Bedingung (p = .024) und Intensität (p = .018)
  • H1 wird angenommen → “ηmuskulär unterscheidet sich in mindestens einer Intensitätsstufe signifikant zwischen den Fahrpositionen”

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Muskulärer Wirkungsgrad & Gesamtwirkungsgrad

Muskulärer Wirkungsgrad:

  • Sitzen: 24.98 ± 1.06% vs. Stehen: 24.07 ± 0.96%
  • Systematischer Abfall mit steigender Intensität
  • Signifikanter Unterschied in der leichten Intensität

Gesamtwirkungsgrad:

  • Sitzen: 22.06 ± 0.70% vs. Stehen: 22.32 ± 1.34%
  • Systematischer Abfall im Sitzen mit steigender Intensität
  • Keine signifikanten Unterschiede
  • Größter Unterschied bei leichter Belastung
  • Effekt nimmt mit steigender Intensität ab
  • Signifikante Haupteffekte für Bedingung (p = .024) & Intensität (p = .018)

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Bruttowirkungsgrad & Nettowirkungsgrad

Bruttowirkungsgrad:

  • Sitzen: 22.30 ± 0.78% vs. Stehen: 22.55 ± 1.47%
  • Signifikanter Interaktionseffekt zwischen Intensität & Bedingung (p = .026*)
  • Post-hoc Analysen: Kein signifikanter Unterschied (Schwer vs. Schwer; p = .128)
  • Signifikanten Effekt der Intensität (p = .046*) → Anstieg mit steigender Intensität

Nettowirkungsgrad:

  • Sitzen: 24.81 ± 0.82% vs. Stehen: 25.07 ± 1.55%
  • Signifikanter Interaktionseffekt zwischen Intensität & Bedingung (p = .028*)
  • Post-hoc Analysen: Kein signifikanter Unterschied (Schwer vs. Schwer; p = .148)
\(\eta\) Berechnung
\(\eta_\text{Brutto}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Aerob}}\)
\(\eta_\text{Netto}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Aerob} - W_\text{Ruhe}}\)
\(\eta_\text{Total}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Tot} - W_\text{Ruhe}}\)
\(\eta_\text{muskulär}\) \(\frac{W_\text{mech} + W_\text{Int}}{W_\text{Tot} - W_\text{Ruhe}}\)

→ Keine signifikanten Positionsunterschiede außer bei ηmuskulär
→ Kein signifikant unterschiedlicher Energieumsatz für die absolvierte Wmech zw. den Positionen

  • ηTotal: Stabil über Intensitäten
  • ηNetto: Leichter Anstieg mit Intensität
  • ηBrutto: Signifikanter Anstieg (leicht zu schwer)
  • ηArbeit: Deutlicher Abfall mit Intensität
  • Alle Wirkungsgrade zeigen spezifische Intensitätsabhängigkeit
  • Tendenz, dass bei Brutto und Nettowirkungsgrad Stehen signifikant unterscheidet

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Diskussion: Besprechung der Ergebnisse

  • Hypothesen:
    • H0 für leichte Intensität widerlegt
    • Signifikante Interaktion: Position × Intensität (p = .003)
  • Intensitätsabhängige Unterschiede:
    • Leicht: Signifikant höherer ηmuskulär im Sitzen (p = .011)
    • Moderat/Schwer: Keine signifikanten Unterschiede
    • Systematische Angleichung mit steigender Intensität
  • Ursachenanalyse:
    • Signifikant höhere WInt im Sitzen
    • Unterschiedliche Trittraten (Sitzen: 89 vs. Stehen: 70 U·min-1)
    • ηTotal ohne WInt zeigt keine Positionsunterschiede
  • Bestätigung der intensitätsabhängigen Beziehung
  • WInt im Stehen möglicherweise unterschätzt
  • Physiologische Parameter sonst vergleichbar

Link: Website/Diskussion

Diskussion: Praktische Relevanz

  • Stehen als valide Alternative zum Sitzen:
    • Vergleichbare Wirkungsgrade (außer ηmuskulär)
    • Ermöglicht Variation der Muskelbelastung
    • Tendenziell sogar minimal höhere Werte im Stehen
  • Praxisempfehlungen:
    • Vorzugsweise bei steilen Anstiegen
    • Bei niedrigen Geschwindigkeiten
    • Für kurzzeitige Maximalleistungen
    • Berücksichtigung erhöhter Luftwiderstand
  • Laborwerte nicht 1:1 übertragbar
  • Mehr Freiheitsgrade auf realem Rad
  • Luftwiderstand als limitierender Faktor

Link: Website/Diskussion

Diskussion: Methodenkritik & Limitationen

  • Stichprobe:
    • Geringe Größe (n=9)
    • Unausgewogenes Geschlechterverhältnis
    • Eingeschränkte statistische Power
  • Methodische Aspekte:
    • Überschätzte ventilatorische Schwellen
    • “Leichte” Intensität zu hoch (73% VO2max)
    • Kurze Erholungszeiten (10 min)
    • Aktive statt passive Nachbelastung
  • WInt-Berechnung im Stehen:
    • Möglicherweise unterschätzt
    • Modell bedarf Optimierung
    • Fehlende Validierung
  • Eingeschränkte Generalisierbarkeit
  • Intensitätsabstufung suboptimal
  • EPOC-Messung problematisch

Link: Website/Diskussion

Diskussion: Ausblick

  • Methodische Verbesserungen:
    • Größere, ausgewogene Stichprobe
    • Optimierte Intensitätsabstufung
    • Längere Erholungsphasen
    • Passive Nachbelastungsphasen
  • WInt-Modellierung:
    • Alternative Berechnungsansätze
    • Validierung durch PTOT-Vergleiche
    • Integration von Lenker-/Sattelkräften
    • Individuelle Segmentparameter
  • Weitere Forschungsaspekte:
    • Torque Efficiency & negative Leistung
    • Ermüdungseffekte bei Leistungsspitzen
    • Wärmeenergieanteil & -messung
  • Fokus auf Methodenverbesserung
  • WInt-Modell als Kernthema
  • Neue Forschungsansätze identifiziert

Link: Website/Diskussion

Link: Website